Геометрическая форма молекул

Электронные орбитали, участвующие в образовании связей, и их пространственная ориентация определяют геометрическую форму молекул.

Линейная форма молекул. Соединения, имеющие линейную форму молекул, образуются при перекрывании:

1. Двух s– орбиталей (s – s связь): Н₂, Na₂, K₂ и др.

2. s - и р–орбиталей (s – р связь): НС1, НВr и др.

3. Двух р– орбиталей (р – р связь): F₂, C1₂, Вr₂ и т.д.

s–s s–p р–р

Линейную форму молекул образуют также атомы некоторых элементов II группы с атомами водорода или галогенов (ВеН₂, ВеГ₂, ZnГ₂). Рассмотрим образование молекул ВеС1₂. Атом бериллия в возбужденном состоянии имеет два неспаренных электрона (2s^l и 2р¹), следовательно, происходит sp–гибридизация, при которой образуются две sp-гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под углом 180° (см гибридизацию орбиталей). При взаимодействии бериллия с галогенами происходит перекрывая двух sp–гибридных орбиталей атома бериллия с р–орбиталями двух атомов хлора, в результате образуется молекула линейной формы.

Рисунок 4 – Линейная молекула BeCl₂:

Треугольная форма молекул имеет место при образо­вании галогенидов бора, алюминия. Возбужденный атом бо­та имеет три неспаренных электрона (2s¹ и 2р²), При образовании химических связей происходит sp²-гибридизация и образуются три sp² - гибиридные орбитали, которые лежат в одной плоскости и ориентированы друг к другу под углом 120°.

(s+p+p)- три sp²- гибрид­ные

орбитали орбитали

а б

Рисунок 5 – sp²–Гибридизация валентных орбиталей (а) и

треугольная молекула ВСl₃ (б)

При взаимодействии бора с хлором происходит перекрывание трех sр²-гибридных орбиталей атома бора с р-орбиталями трех атомов хлора, в результате образуется молекула, имеющая форму плоского треугольника. Валентный угол в молекуле ВСl₃ равен 120°.

Тетраэдрическая форма молекулы характерна для соединений элементов IV группы главной подгруппы с галогенами, водородом. Так, атом углерода в возбужденном со­стоянии имеет четыре неспаренных электрона (2s¹ и 2р³) следовательно, происходит sp-гибридизация, при которой образуются четыре гибридные орбитали, расположенные друг к другу под углом 109,28°.

(s+p+p+p)- четыре sp³-гибрид­ные

орбитали орбитали

а б

Рисунок 6 – sp³–Гибридизация валентных орбиталей (а) и

тетраэдрическая молекула СН₄ (б)

При перекрывании четырех sp³-гибридных орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырех атомов водорода образуется молекула метана, которая имеет форму тетраэдра. Валентный угол равен 109,28°.

Рассмотренные геометрические формы молекул (линейные, треугольные, тетраэдрические) являются идеальными (правило Гиллеспи).

В отличие от выше рассмотренных соединений молекулы элементов V и VI групп главных подгрупп имеют валентные неподеленные пары электронов, поэтому углы между связями оказываются меньшими по сравнению с идеальным молекулами.

Пирамидальная форма молекул имеет место при образовании водородных соединений элементов V групп главной подгруппы. При образовании химической связи, например, у атома азота также как и у атома углерода происходит sp³-гибридизация и образуется четыре sp³-гибридные орбитали, которые ориентированы под углом 109,28^о друг к другу. Но в отличие от атома углерода у атома азота в гибридизации принимают участие не только одноэлектронные орбитали (2р³), но и двухэлектронная (2s²). Поэтому из четырех sp³-гибридных орбиталей на трех находятся по одному электрону (одноэлектронная орбиталь), эти орбитали образуют связи с тремя атомами водорода. Четвертая орбиталь с неподелениой парой электронов не принимает участия в образовании связи. Молекула NH₃ имеет форму пирамиды.

Рисунок 7 – Пирамидальная молекула аммиака

В вершине пирамиды находится атом азота, а в углах (треугольника) основания – атомы водорода. Валентный угол равен 107,3°. Отклонение значения угла от тетраэдрического (109,28°) обусловлено отталкиванием между неподеленной парой электронов на четвертой sp³-гибридной ор­битали и связывающими парами на трех остальных орбиталях, т.е. sp³-гибридная орбиталь с неподеленной парой электронов отталкивает в направлении от себя три осталь­ные орбитали связи N–H, уменьшая угол до 107,3°.

В соответствии с правилом Гиллеспи: если централь­ный атом относится к элементам третьего или последующих периодов, а концевые атомы принадлежат менее электроотри­цательным элементам, чем галогены, то образование связей осуществляется через чистые р - орбитали и валентные углы становятся 90°, следовательно, у аналогов азота (Р, As, Sb) гибридизация орбиталей в молекулах водородных соединений не наблюдается. Например, в образовании молекулы фосфина (РН₃) участвуют три неспаренных р-электрона (3s² и 3р³), электронные орбитали которых расположены в трех взаимно перпендикулярных направле­ниях, и s-электроны трех атомов водо­рода. Связи располагаются вдоль трех осей р-орбиталей. Образовавшиеся молекулы имеют, как и молекулы NН₃, пирамидальную форму, но в отличие от молекулы NН₃, в молекуле РН₃ валентный угол равен 93,3°, а в соеди­нениях AsH₃ и SbH₃ – соответственно 91,8 и 91,3°.

Рисунок 8 – Молекула РН₃

Неподеленная пара электронов будет занимать нес­вязывающую s- орбиталь.

Угловую форму молекул образуют водородные соединения элементов VI группы главной подгруппы. Рассмотренные особенности образования связей в соединениях элементов V группы характерны и для водородных соединений элементов VI группы. Так, в молекуле воды атом кислорода, так же как и атом азота, находится в состоянии sp³-гибридизаци. Из четырех sp³-гибридных орбитам на двух находится по одному электрону, эти орбитали образуют связи с двумя атомами водорода.

Две другие из четырех sp³-гибридных орбиталей содержат по неподеленной паре электронов и не принимав участия в образовании связи.

Молекула Н₂О имеет угловую форму, валентный угол равен 104,5°. Отклонение значения угла от тетраэдрического в еще большей степени обусловлено отталкиванием от двух неподеленных пар электронов.

Рисунок 9 – Угловая молекула воды

Угловую форму молекул имеют H₂S, H₂Se, H₂Te, только у аналогов кислорода образование связей в соединенн Н₂Э осуществляется через чистые р-орбитали (правило Гиллеспи), поэтому валентные углы составляют 90°. Так, в молекулах H₂S, H₂Se, H₂Te они соответственно равны 92; 91; 89,5°.